Optimización de catenarias ferroviarias para diferentes velocidades del vehículo

Abstract

[ES] La correcta interacción entre el pantógrafo y la catenaria es la responsable de una adecuada captación de energía en el ferrocarril de tracción eléctrica. Por una parte, si la fuerza de contacto es demasiado débil se pueden producir despegues que además de cortar la toma de energía producen arcos eléctricos, que pueden provocar daño en los elementos de la catenaria y el pantógrafo. Por otra parte, si la fuerza es demasiado grande se genera un excesivo desgaste en el pantógrafo y la catenaria, por lo tanto aumenta el coste en mantenimiento del mismo. Debido a estas características, se busca reducir la desviación típica de la fuerza de interacción, para mejorar la captación de corriente. El presente Trabajo de Fin de Máster tiene el principal objetivo de reducir la desviación típica de la fuerza de contacto entre catenaria y pantógrafo mediante la optimización geométrica de las catenarias. Para ello se ha recopilado información de siete catenarias reales diseñadas para alta velocidad, modelándolas en un primer lugar, y posteriormente optimizándolas, considerando diferentes parámetros de optimización planteando tres problemas a resolver. Además, en una de las optimizaciones se consideran los resultados en varias velocidades de cálculo, buscando una optimización en un rango de velocidades en lugar de en una velocidad puntual. Para el modelado y la optimización de catenarias, se han utilizado dos programas desarrollados previamente en el Centro de Investigación en Ingeniería Mecánica de la Universitat Politècnica de València. En lo que respecta al método de optimización utilizado, el presente trabajo es pionero al utilizar la optimización bayesiana en lugar de algoritmos genéticos, que anteriormente se habían utilizado para este tipo de problemas, con lo que se consigue una reducción del tiempo de cálculo. Se han analizado los resultados obtenidos en las simulaciones, comparando la desviación típica con el valor nominal y se obtienen reducciones de hasta un 50%. Por último, se comprueba la influencia del pantógrafo en los resultados obtenidos, para ello se simulan tanto las catenarias nominales como los modelos optimizados considerando varias velocidades de cálculo para tres pantógrafos diferentes.

[EN] The correct interaction between the pantograph and the catenary is responsible for an adequate uptake of energy in the electric traction railway. On the one hand, if the contact force is too weak, detachments can be produced which, in addition to cutting off the power supply, produce electric arcs, which can cause damage to the elements of the catenary and the pantograph. On the other hand, if the force is too strong, excessive wear is generated in the pantograph and in the catenary and therefore the maintenance cost thereof is increased. Due to these characteristics, is sought to reduce the standard deviation of the interaction force, in order to improve the electrical current collection. The present Master's Thesis aims to reduce the standard deviation of the contact force between the catenary and the pantograph by means of the geometrical optimization of the catenaries. To this end, information has been gathered from seven actual catenaries designed for high speed, firstly modeling them, and secondly optimizing them, considering different optimization parameters, raising three problems to be solved. In addition, one of the optimizations considers the results for several calculation speeds, in order to improve a speed range instead of a single speed. For modeling and optimization of catenaries, two programs have been used, which were previously developed in the Mechanical Engineering Research Center of the Universitat Politècnica of València. Regarding the optimization method used, the present work is a pioneer in using Bayesian optimization instead of genetic algorithms, usual for this type of problems, which results in a reduction in calculation time. The results obtained in the simulations have been analyzed, comparing the standard deviation with the nominal value and reductions of up to 50% are obtained. Finally, the influence of the pantograph model on the results obtained is checked. For this purpose, the nominal catenaries and the optimized models are simulated, considering several calculation speeds for three different pantographs models.